B-C-N hybrid synthesis by high-temperature ion implantation

高温でのボウジンイオン注入によるB-C-Nハイブリッド合成

Uddin, M. N.; 下山 巖   ; 馬場 祐治  ; 関口 哲弘  ; Nath, K. G.; 永野 正光*

Uddin, M. N.; Shimoyama, Iwao; Baba, Yuji; Sekiguchi, Tetsuhiro; Nath, K. G.; Nagano, Masamitsu*

類似化合物であるグラファイトと六方晶窒化ホウ素はそれぞれ半金属と絶縁体であって電子構造は全く異なる。これにより両者のハイブリッド材料(B-C-Nハイブリッド)半導体的性質を持つことが期待されている。われわれはB-C-Nハイブリッドを合成するためにグラファイトにボラジン(BNH)をイオン注入することによりB-C-Nハイブリッド合成を試みた。実験は高エネルギー加速器研究機構放射光施設で行った。室温及び、YAGレーザーで600Cに加熱したグラファイトに3keVに加速したボラジンのプラズマをさまざまなフルエンスで打ち込み、B原子周囲の化学結合状態について光電子分光法(XPS)を用いて調べた。室温,600CでのB1s XPSスペクトルはともにB-C, B-N, B-C-N結合に由来するさまざまな成分を示したが、各成分の強度比は温度とフルエンスに大きく依存した。特にB-C-Nに帰属されるピークは室温で合成した試料に比し600Cで合成した試料において大きく成長し、ドミナントな成分になることが確認された。この結果によりB-C-Nハイブリッドは高温でのイオン注入により優先的に合成されることを示した。

Recently, much attention has been given on the synthesis and characterization of graphite-like B-C-N hybrid. Since graphite-like B-C-N hybrid may have semiconducting property, this material is interesting for applications to electronic and luminescent devices. In order to synthesize this material, borazine ion plasma was implanted in graphite at room temperature (RT) and 600 C. An ultrahigh vacuum (UHV) chamber with base pressure 10 Pa was used for the experiment. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) study suggested that B atoms in the deposited films are in a wide variety of atomic environment such as BC3, BN3 and B-C-N hybrid. The ratios of these coordinations strongly depend on the temperature during the ion implantation. It was found that the B-C-N hybrid is predominantly synthesized by the implantation at 600 C where the surface [B]/([B]+[C]+[N]) ratio ranges from 0.1 to 0.35. The results imply that it is possible to control the composition of B-C-N hybrid by changing the fluence of the ion plasma and the temperature of graphite during ion implantation.